发动机曲轴机械加工工艺

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2.1.2 曲轴的工艺特征 1.曲轴材料和毛坯 (1) 曲轴材料 根据曲轴在发动机运行过程中承受弯曲、扭转、剪切、
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(2) 曲轴的结构刚度差 曲轴的长径比(L / d =11) 大, 又具有6 个偏心连杆轴颈, 因此刚
度较差。 (3) 曲轴加工的技术要求高 曲轴的机械加工工艺过程将随生产纲领和曲轴复杂程度的不
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2.曲轴加工方法 对于占工时较多的曲轴主轴颈和连杆轴颈外圆的粗加工和半
精加工, 其加工方法主要是车削、内铣、外铣和车—拉加工。 但由于车削连杆轴颈外圆时, 必须以连杆轴颈外圆轴线为旋转 中心, 工件旋转时会产生离心惯性力, 且转速越高, 惯性力越大 , 目前单一的车削加工一般都是在远低于最佳切削速度的状态 下进行, 效率较低。 (1) 主轴颈车削 大批量生产时, 通常在多刀半自动车床上采用成形车刀车削曲 轴主轴颈。为了提高主轴颈的相对位置精度, 一般采用两次车 削工艺。第二次精车主要是为了保证轴颈宽度和轴颈相对位 置。为了减小曲轴加工时的扭曲, 机床常采用两端传动或中间 驱动的驱动方式, 如图2 -4所示。
的刀盘和刀片精度要求很高。铣削与车削相同, 也存在温升引 起的曲轴变形问题, 应尽量加强冷却。
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铣削连杆轴颈的加工过程如下: 外铣: 以曲轴两端主轴颈径向定位, 用止推面周向定位。
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毛坯加工余量为主轴颈、连杆轴颈4mm 左右, 轴颈台肩3mm 左右; 主轴颈、连杆轴颈铸造圆角R5, 其他铸造圆角R3 ~ R5; 铸件表面与内部不得出现砂眼、疏松、缩孔、杂质等内部缺 陷; 第4 主轴颈跳动应臆2.5mm, 其他未注明加工余量偏差为1.0 ~1.5mm。
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2.1.1 发动机曲轴概述 1.发动机曲轴工况 曲轴是汽车发动机的主要零件之一, 用以将活塞的往复运动
变为旋转运动, 输出发动机功率。在单列式多缸发动机中, 连杆轴颈的数目与气缸数相同, 主轴颈的数目由发动机的形 式和用途决定。图2 -1 所示为六缸汽车发动机曲轴结构, 其主轴颈和连杆轴颈不在同一轴线上, 具有七个主轴颈; 六 个连杆轴颈分别位于三个互成120毅的平面内。曲轴在六个 连杆轴颈处形成了六个开挡, 因此, 曲轴是一个结构复杂、 刚性差的零件。 2.曲轴的技术要求 在曲轴加工过程中, 除了要保证曲轴基本尺寸外, 更重要的 是保证曲轴的加工精度, 即形位公差和尺寸公差方面的要求 , 其主要包括以下几个方面:
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(3) 角向基准 角向定位拟采用在曲柄臂上铣定位面和在法兰盘端面钻定位
工艺孔的方法来实现。曲柄臂上工艺定位面的周向定位精度 低, 只用于粗加工工序; 法兰盘上的工艺孔定位精度高, 可用于 磨削、动平衡和抛光等精加工工序。 2.加工阶段的划分 曲轴的主要加工部位是主轴颈和连杆轴颈, 次要加工部位是油 孔、法兰、曲柄、螺孔、键槽等; 曲轴加工中除包括机械加工 之外, 还有轴颈表面中频淬火、探伤、动平衡等, 在加工过程 中还要安排校直、检验、清洗等工序。 (1) 加工阶品课程配套教学课件
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.1.4 曲轴主要表面的加工 1.曲轴中心孔的加工 铣端面钻中心孔是曲轴加工的第一道工序。中心孔是后续加
工工序的主要定位基准, 它的精度将对后续工序特别是对动平 衡产生很大的影响。此外, 工序的变动和各加工表面余量分布 对动平衡的影响更大。 曲轴有几何轴线和质量轴线两个轴线。如在普通的铣端面、 钻中心孔机床上, 以曲轴两端主轴颈外圆定位, 则所钻出的中 心孔是几何中心孔, 所形成的轴线就是曲轴的几何轴线。由于 曲轴常用几何中心孔定位加工, 而几何轴线又往往偏离质量轴 线, 所以在曲轴加工工艺过程中必须安排曲轴动平衡工序。
高速旋转的铣刀径向进给到连杆轴颈规定的直径尺寸后, 曲轴低速绕主轴颈轴线旋转一周, 铣刀跟踪曲轴连杆轴 颈铣削,即可完成连杆轴颈的加工。加工原理如图2 -7 所 示。 内铣: 连杆轴颈内铣有曲轴旋转和曲轴不旋转两种。曲 轴旋转时, 定位夹紧与外铣大致相同。高速旋转的内铣 刀径向进给到连杆轴颈规定的尺寸后, 曲轴低速绕主轴 颈轴线旋转一周,铣刀跟踪连杆轴颈做切向进给运动, 以 完成一个连杆轴颈的加工。加工原理如图2 -8 所示。
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(1) 加工阶段的划分 曲轴的机械加工工艺过程大致可分为: 加工定位基准面; 粗加
工主轴颈和连杆轴颈; 加工润滑油道等次要表面; 主轴颈和连 杆轴颈中频表面淬火; 精加工主轴颈和连杆轴颈; 加工键槽和 轴承孔等; 动平衡; 光整加工主轴颈和连杆轴颈。 (2) 工序安排中应注意的问题(见表2 -2) (3) 检查与校直 在最后检查曲轴时, 以曲轴两端的主轴颈为测量基准, 测量其 他轴颈的径向跳动。主轴颈的径向跳动超过要求时, 可以通过 校直进行纠正。校直对曲轴的疲劳强度有不利的影响,在制定 曲轴的机械加工工艺过程中, 应尽量减少曲轴的校直次数。为 保证余量均匀、减少变形的影响, 在关键工序上, 如第4 主轴 颈加工前、淬火后和动平衡去重后等, 仍应安排校直。
为了减少切削时径向切削力引起的曲轴变形, 车削主轴颈时, 刀具按图2 -5 所示布置。图2 -5 中刀具宽度的关系为a =2b。 为保证各主轴颈的相对位置尺寸, 机床顶尖对曲轴的顶紧力不 能过大, 并保持稳定。在车削过程中, 曲轴受热会膨胀弯曲, 应 加强冷却。
(2) 连杆轴颈车削
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5.曲轴车拉加工 车拉加工是近些年发展起来的新型加工工艺, 目前已在发动机曲轴
加工中得到应用。车拉加工实际上是车削和拉削加工的结合, 其可 在一次装夹中完成轴颈、圆角、辐板侧面的加工, 加工精度高, 可 直接省去精车、粗磨工序。在车拉加工中, 除了工件做旋转运动以 外,刀具也做进给运动, 以实现车拉切削加工。 根据刀具的运动形式, 车拉加工可分为直线式车拉和旋转式车拉两 类。 (1) 直线式车拉 直线式车拉是在加工过程中, 车拉刀具沿曲轴轴颈切线方向做直线 运动, 曲轴旋转, 进给量由相邻两个车拉刀之间的高度差———即 刀具升程来确定。车拉刀具与平面拉刀相似, 其工作原理如图2 -9 所示。 (2) 旋转式车拉加工
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1.主轴颈、连杆轴颈的尺寸公差。 2.主轴颈、连杆轴颈的圆柱度。 3.主轴颈单独以及相对的圆跳动量。 4.连杆轴颈轴线相对主轴颈轴线的平行度。 5.轴颈表面粗糙度。 6.止推面的平面度和表面粗糙度。 7.止推面与主轴颈的垂直度。 8.曲拐夹角的相位角度偏差。 9.动平衡精度。 曲轴主要技术参数见表2—1。
拉压等交变应力的实际工作情况, 要求其具有较高的抗 拉强度、疲劳强度、表面硬度、耐磨性及高淬透性; 芯 部要具有一定的韧度; 高温下能保持良好的蠕变强度。 (2) 毛坯技术要求 这里主要是针对球墨铸铁曲轴毛坯而言。其铸造技术要 求为: 曲柄起模斜度为1毅~1毅30忆, 其余铸造斜度为30忆 ~ 1毅;
由于同时车削所有连杆轴颈的切削力很大, 在车削时应将曲轴 的主轴颈支承在机床的中心架上。加工时, 曲轴绕主轴颈转动 , 车床上有两根标准的曲轴靠模, 它们与被加工的曲轴同步旋 转, 并带动刀架运动(因刀架安装在靠模曲轴的连杆轴颈上) 而 对连杆轴颈进行切削, 如图2 -6 所示。
4.曲轴铣削加工 曲轴主轴颈和连杆轴颈的铣削分外铣与内铣两种。铣削所用
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旋转式车拉中, 工件旋转, 刀具也同时旋转并有时兼做径向进 给运动。
根据刀齿径向切入进给方式的不同, 旋转式车拉又分为螺线形 刀具车拉和圆柱形刀具车拉两种, 其工作原理如图2 -10 所示 。
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小批量生产时, 连杆轴颈的粗加工在普通车床上进行, 且以连 杆轴颈的中心线为回转中心线进行车削。加工时, 需在夹具上 安装平衡块, 以平衡曲轴的重量。当无法依靠加平衡块来解决 平衡问题时, 则常采用专用机床让曲轴不动, 而由刀架旋转进 行加工。
同而有很大区别, 但工艺内容一般均包括定位基准的加工, 粗 、精车和粗磨各主轴颈及其他外圆; 车连杆轴颈; 钻油孔; 精磨 各主轴颈及其他外圆; 磨连杆轴颈; 大、小头及键槽加工; 轴颈 表面处理; 动平衡; 超精加工各轴颈。 2.1.3 曲轴工艺分析 1.曲轴加工基准的选择 在曲轴加工中, 需要选择径向基准、轴向基准及圆周方向上的 角向基准, 如图2 - 3所示。
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随着车刀的径向进给, 在曲轴转速不变时, 切削速度将下降, 且 由于铸造毛坯的起模斜度或锻造毛坯模锻斜度的影响, 端面的 切削余量及切削力将逐渐增大。所以专用的曲轴车床在加工 过程中, 曲轴的转速需要自动增加; 而车刀的每转进给量又能 自动逐渐减小, 以便维持恒速切削, 从而能够更好地发挥设备 的效率功能和提高加工质量。
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(1) 径向基准 加工中选择毛坯两端主轴颈作为粗基准铣两端面并钻两端中
心孔, 再以两端中心孔作径向定位基准。该基准也是曲轴的设 计基准。曲轴加工中所有主轴颈及其他同轴线轴颈的粗、半 精、精加工都用两端中心孔定位。加工连杆轴颈时一般采用 两个主轴颈外圆表面作定位基准, 以提高支承刚性。 (2) 轴向基准 选择第4 主轴颈的两侧端面作为曲轴轴向的设计基准和安装 基准。加工连杆轴颈时选用该轴颈的止推轴肩端面作轴向定 位基准。曲轴本身不需要精确的轴向定位, 在磨削加工工序中 采用中心孔作轴向基准, 用定宽砂轮磨削加工轴颈侧端面, 轴 向尺寸精度取决于磨削前的加工精度和磨削中的自动测量系 统。
2.曲轴结构工艺特点 图2 -2 所示为六缸发动机曲轴, 其包括7 个主轴颈和6 个连杆
轴颈, 连杆轴颈分别位于3 个互成120毅的平面内。曲轴的结 构工艺特点为形状复杂、刚度差、技术要求高。 (1) 曲轴的形状复杂 曲轴中连杆轴颈和主轴颈不在同一根轴线上, 在连杆轴颈加工 中易出现质量分布不平衡的现象, 需要配备能迅速找正连杆轴 颈中心的偏心夹具, 且需在夹具中加一平衡块。